Akvatická ekotoxikologie
Testování
Poznání efektů,
které působí přítomnost stresorů na organismy v prostředí
- suborganismální úroveň
- laboratorní experimenty
studium mechanismů toxicity látek, in vitro biomarkery, odhady míry
subletální toxicity specifických typů (dioxinová toxicita, xenoestrogenita ...)
- jednotlivé druhy organismů, jednotlivci
- laboratorní experimenty
tradiční ekotoxikologické biotesty s jednotlivými druhy organismů,
porovnání citlivosti různých druhů ...
- polní manipulované studie (in situ)
studie s jednotlivými druhy - pěstování rostlin na kontaminovaných a
kontrolních plochách, klecové experimenty v akvatickém prostředí
(měkkýši, ryby)
Experimentální stanovení ekotoxicity
Poznání efektů,
které působí přítomnost stresorů na organismy v prostředí
- populační efekty
-laboratorní testy
dlouhodobější experimenty ­ celoživotní testy toxicity,testy s časnými
vývojovými stadiemi, rostliny ­ rozmnožování, klíčení ..., bezobratlí obratlovci
­ testy reprodukční toxicity
- efekty ve společenstvech
-laboratorní mikrokosmy
uměle ustavená společenstva organismů různých druhů za definovaných
podmínek (producenti ­ konzumenti ­ destruenti)
- terénní vícedruhové manipulované studie in situ
polní studie, akvatické mezokosmy (tekoucí, stojaté, litorální ­ příbřežní
- ekosystémové efekty
- terénní pozorování ­ hodnocení efektů v populacích a společenstvech
v reálné přírodní situaci
Experimentální stanovení ekotoxicity
EXPERIMENTÁLNÍ HODNOCENÍ EKOTOXICITY
laboratoř
Hlavním požadavkem ekotoxikologické studie
je průkaz KAUZALITY mezi expozicí a efektem
Praktické stanovení ekotoxicity
- laboratorní jednodruhové biotesty
- laboratorní mikrokosmy
- manipulované a kontrolované mezokosmy
- polní studie
- reálné ekosystémy
METODY HODNOCENÍ EFEKTŮ
obtížnost průkazu
KAUZALITY
Pro srovnání toxicity různých látek (vzorků) se užívají
odvozené parametry
1) hodnoty odvozené pro 50% efekt
-odhady v oblasti 50% efektů zatíženy nejmenší chybou,
-nejčastější
LC50 ­ koncentrace (C) způsobující 50% letalitu (L)
LD50 ­ dávka (Dose)
EC50 ­ koncentrace způsobující 50% efekt (E)
IC50 ­ koncentrace způsobující 50% inhibici (I)
Vztahy Dávka - Odpověď
Křivka dávka - odpověď
2) další odvozené parametry
ECx (x=1,5,10,25,75,90,99 ...)
LOEC/L Lowest Observable Effect Concentration/L
NOEC/L No Observable Effect Concentration/Level
NOAEC/L No Observable Adverse Effect Concentration/Level
MTC Minimum threshold concentration
MATC Maximum Acceptable/Allowable Toxicant Concentration
= geometrický průměr NOEC a LOEC
Vztahy Dávka - Odpověď
Srovnání toxicity látek
Problém - různé směrnice křivky Dávka-Odpověď
Pro dobrou interpretaci ­ uchování celé křivky
Příklad:
Na základě EC50 je toxičtější látka 1
ALE
látka 2 vykazuje efekty ve
významně nižších koncentracích
Vztahy Dávka - Odpověď
50%
0%
100% 1
2
koncentrace
efekt
Vyjádření KONCENTRACÍ při hodnocení TOXICITY
(1) čisté látky a definované směsi látek
(barvy, produkty chemické výroby ...)
KONCENTRACE ­ mg/L, mmol/L (=mM)
(2) extrakty vzorků z prostředí
- KONCENTRACE EXTRAKTU (% ředění ...)
- KONCENTRACE původní matrice
př. vzduch
­ odběr prachových částic, extrakce organickými rozpouštědly
- Extrahovatelný Organický Materiál,
koncentrace v testu toxicity ­ mg EOM / mL
Vztahy Dávka - Odpověď
Vyjádření KONCENTRACÍ při hodnocení TOXICITY
(2) vzorky z prostředí - přírodní matrice
voda, odpadní vody
- koncentrace : % ředění
- ev. jen srovnání efektu odpadní voda vs. kontrola
pevné matrice ­ sedimenty
- % ředění ­ existují postupy míchání/ředění
- nejčastěji srovnání efektů s negativní kontrolou
(+ / -)
Vztahy Dávka - Odpověď
Vzorky v prostředí ­ KOMPLEXNÍ SMĚSI
- Látky ve směsích mají ve srovnání s čistými ­ izolovanými látkami
odlišné biologické vlastnosti (vč. toxicity)
- ADITIVITA / SYNERGISMUS / ANTAGONISMUS
(1) ADITIVITA
- princip kumulativní toxicity
- základní ADITIVNÍ MODEL
- nejčastější u látek s "nespecifickým" mechanismem toxicity
(polární narkoza)
Př. látka 1 vyvolá v koncentraci c1, efekt 25%
látka 2 vyvolá v koncentraci c2, efekt 30%
směsný roztok L1 a L2 v koncentracích c1 a c2
vyvolá efekt 55% (25 + 30)
Vztahy Dávka - Odpověď
Vzorky v prostředí ­ KOMPLEXNÍ SMĚSI
(2) ANTAGONISMUS
- látky ve směsi vzájemně inhibují toxický efekt
- efekt po působení směsi je menší než podle předpovědi
aditivního modelu
- u látek se specifickými biologickými-toxikologickými
vlastnostmi
Příklad
Současné působení neurotoxinů s různým mechanismem (princip "protijedů")
­ Veratridin (otevření membránových kanálů pro Na+/K+)
- Saxitoxin (inhibice kanálů)
Vztahy Dávka - Odpověď
Vzorky v prostředí ­ KOMPLEXNÍ SMĚSI
(2) SYNERGISMUS
- látky ve směsi se vzájemně potencují
- efekt po působení směsi je vyšší než podle předpovědi
aditivního modelu
- u látek se specifickými biologickými-toxikologickými
vlastnostmi
Příklad
Toxicita pro Ryby:
současné působení detergentu (snížení povrchového napětí na membránách
žaber)
a polární látky - inhibitoru mitochondriální respirace (samotný jen obtížně vstupuje
do buňky ALE v přítomnosti detergentu -> rychlý vstup, významný toxický efekt)
Vztahy Dávka - Odpověď
AKVATICKÉ PROSTŘEDÍ
Akvatické testy s bezobratlími jsou velmi běžné, někdy je
ekotoxikologie zaměňována s "Daphniovými biotesty"
-uspořádání
-kádinky, akutní testy 48 h,
prolongované testy 21 d,
hodnocení letality, růstu ...
-krátkodobé - zpravidla statické
Akvatičtí planktonní korýši - nejčastější
Daphnia magna, Ceriodaphnia dubia
Artemia salina (mořská)
Další bezobratlí
bentičtí ­ Gammarus, Hyallela azteca
hmyz ­ Pakomáři (Chironomus), jepice ...
Ekotoxikologické biotesty ­ konzumenti - bezobratlí
Daphnia magna
Artemia salina
Ceriodaphnia dubia
Gammarus Chironomus riparius
AKVATICKÉ PROSTŘEDÍ
ALTERNATIVNÍ MIKROBIOTESTY ("toxkity") s bezobratlími
www.microbiotests.be
Ekotoxikologické biotesty ­ konzumenti - bezobratlí
PŮDA + SEDIMENTY
Alternativní mikrobiotest TOXKIT (www.microbiotest.be)
Ekotoxikologické biotesty ­ konzumenti - bezobratlí
Sbírky a kultivace řas
Řasy a
sinice jako
testovací
organismy
EKOTOXIKOLOGICKÉ BIOTESTY
- PŘÍKLADY -
KONZUMENTI ­ OBRATLOVCI ­
AKVATICKÉ PROSTŘEDÍ - RYBÍ biotesty
-uspořádání
-akvária
- akutní testy 96 h,
- prolongované a embryolarvální testy
dny až měsíce
- hodnocení letality, růstu, rozmnožování,
testy karcinogenity (nádory),
testy xenoestrogenity (vývoj oboupohlavníků)
- různá uspořádání (statické, průtočné ...)
Rybí druhy
Pstruh duhový, Živorodka duhová (paví očko),
Karas, Kapr, Střevle (Pimephales promelas)
Specifické testy (endokrinní disrupce, karcinogenita)
Halamčík rýžovištní ­ Japanese medaka
Ekotoxikologické biotesty - obratlovci
AKVATICKÉ PROSTŘEDÍ
FETAX ­ Frog Embryo Teratogenicity Assay Xenopus
Drápatka (Xenopus laevis)
-uspořádání
- toxikologie ­ experimenty s vajíčky,
embryi a larvami
- petriho misky
- 96 h (dosažení stadia larvy bez žloutk.
vaku)
Ekotoxikologické biotesty - obratlovci
Byly vypracovány postupy pro hodnocení ekotoxicity
ve složitějších ­ vícedruhových uspořádáních
- simulace přírodních podmínek
- model ekologických vztahů mezi organismy (potravní řetězce)
- hodnocení nepřímých efektů (likvidace producentů -> další efekty
v celém ekosystému)
Experimentální uspořádání
- podle velikosti (nezcela jednoznačné limity)
: mikrokosmy
voda - do 1 m3 stojaté, nebo 1 m tekoucí
: mezokosmy
- podle umístění ­ laboratorní kontrolované podmínky vs. přírodní
Vícedruhové hodnocení ekotoxicity
Praktická realizace (principy stejné s biotesty)
(1) Biologický systém
- Příprava, osazení, aklimatizace
- Kontrolní varianta
- Jedna nebo více (více koncentrací) exponovaných variant
- Definovaný počet opakování (replicates)
- nutné ­ složitější systémy ­ větší variabilita (! i u kontrol)
(2) Expozice
- Dávkování
- přímo do vodní fáze (vodní mikrokosmy), postřikem na povrch (simulace
přirozené aplikace pesticidů), řada dalších možností, jednorázové
opakované ...
- Doba expozice ­ podle typu mikro/mezokosmu ­ týdny až roky
(3) Hodnocení parametrů, srovnání kontroly vs. expozice
Vícedruhové hodnocení ekotoxicity
Příklad ­ laboratorní akvatický mikrokosmos
Příklad ­ laboratorní akvatický mikrokosmos
Příklad
- požadavky
na laboratorní
mikrokosmos
- model stojatého
(lenitického) ekosystému
Příklad
- jednoduchý
laboratorní
akvatický mikrokosmos
- simulace tekoucích vod
Příklad ­ akvatický mikrokosmos s makrofyta
Příklady ­ venkovní mikrokosmy
Příklady venkovní
plovoucí
mikrokosmy
Příklady ­ litorální
mezookosmos
Mezokosmy pro
ekotoxikologické testování
přípravků proti sinicím
ˇ
Příklady ­ venkovní mezokosmy ­ tekoucí voda
Příklady ­ venkovní mezokosmy lenitické
Polní studie, biomonitoring
vzorkování ­ odběry abiotických vzorků
Voda Sediment
Eckmanův
drapák
Polní studie, biomonitoring
AKVATICKÉ PROSTŘEDÍ
­ odběry biotických vzorků Planktonní
síťky Periphyton ­ nárosty, biofilmy
Polní studie, biomonitoring
AKVATICKÉ PROSTŘEDÍ
­ odběry biotických vzorků Bentičtí
bezobratlí Ryby